Kemanusiaan telah melangkah jauh ke arah penciptaan komputer, tanpanya adalah mustahil untuk membayangkan masyarakat moden dengan semua aspek kehidupannya dalam bidang industri, ekonomi negara dan perkakas rumah. Tetapi sehingga hari ini, kemajuan tidak berhenti, membuka bentuk pengkomputeran baharu. Di tengah-tengah pembangunan teknologi selama beberapa dekad sekarang ialah struktur mikropemproses (MP), yang sedang dipertingkatkan dalam parameter fungsi dan reka bentuknya.
Konsep mikropemproses
Dalam pengertian umum, konsep mikropemproses dipersembahkan sebagai peranti atau sistem yang dikawal atur cara berdasarkan litar bersepadu besar (LSI). Dengan bantuan MP, operasi pemprosesan data atau pengurusan sistem yang memproses maklumat dilakukan. Pada peringkat pertamaPembangunan MP adalah berdasarkan litar mikro berfungsi rendah yang berasingan, di mana transistor hadir dalam kuantiti dari beberapa hingga ratusan. Struktur mikropemproses biasa yang paling mudah boleh mengandungi sekumpulan litar mikro dengan parameter elektrik, struktur dan elektrik biasa. Sistem sedemikian dipanggil set mikropemproses. Bersama MP, satu sistem juga boleh terdiri daripada peranti memori capaian kekal dan rawak, serta pengawal dan antara muka untuk menyambungkan peralatan luaran - sekali lagi, melalui komunikasi yang serasi. Hasil daripada pembangunan konsep mikropengawal, kit mikropemproses telah ditambah dengan peranti perkhidmatan yang lebih kompleks, daftar, pemandu bas, pemasa, dsb.
Hari ini, mikropemproses semakin kurang dianggap sebagai peranti berasingan dalam konteks aplikasi praktikal. Struktur fungsian dan prinsip operasi mikropemproses yang sudah berada di peringkat reka bentuk dipandu oleh penggunaan sebagai sebahagian daripada peranti pengkomputeran yang direka untuk melaksanakan beberapa tugas yang berkaitan dengan pemprosesan dan pengurusan maklumat. Pautan utama dalam proses mengatur pengendalian peranti mikropemproses ialah pengawal, yang mengekalkan konfigurasi kawalan dan mod interaksi antara teras pengkomputeran sistem dan peralatan luaran. Pemproses bersepadu boleh dianggap sebagai pautan perantaraan antara pengawal dan mikropemproses. Fungsinya tertumpu kepada menyelesaikan tugas tambahan yang tidak berkaitan secara langsung dengan tujuan MT utama. Khususnya, ini boleh menjadi fungsi rangkaian dan komunikasi yang memastikan operasi peranti mikropemproses.
Klasifikasi mikropemproses
Walaupun dalam konfigurasi yang paling mudah, Ahli Parlimen mempunyai banyak parameter teknikal dan operasi yang boleh digunakan untuk menetapkan ciri klasifikasi. Untuk mewajarkan tahap utama pengelasan, tiga sistem berfungsi biasanya dibezakan - operasi, antara muka dan kawalan. Setiap bahagian kerja ini juga menyediakan beberapa parameter dan ciri membezakan yang menentukan sifat pengendalian peranti.
Dari sudut pandangan struktur biasa mikropemproses, pengelasan terutamanya akan membahagikan peranti kepada model berbilang cip dan cip tunggal. Yang pertama dicirikan oleh fakta bahawa unit kerja mereka boleh berfungsi di luar talian dan melaksanakan arahan yang telah ditetapkan. Dan dalam contoh ini, Ahli Parlimen akan dilafazkan, di mana penekanan adalah pada fungsi operasi. Pemproses sedemikian tertumpu pada pemprosesan data. Dalam kumpulan yang sama, sebagai contoh, mikropemproses tiga cip boleh menjadi kawalan dan antara muka. Ini tidak bermakna mereka tidak mempunyai fungsi operasi, tetapi untuk tujuan pengoptimuman, kebanyakan sumber komunikasi dan kuasa diperuntukkan kepada tugas menjana arahan mikro atau keupayaan untuk berinteraksi dengan sistem persisian.
Bagi Ahli Parlimen cip tunggal, mereka dibangunkan dengan set arahan tetap dan penempatan padat semua perkakasanpada satu teras. Dari segi kefungsian, struktur mikropemproses cip tunggal agak terhad, walaupun ia lebih dipercayai daripada konfigurasi segmen analog berbilang cip.
Satu lagi klasifikasi penting merujuk kepada reka bentuk antara muka mikropemproses. Kami bercakap tentang cara untuk memproses isyarat input, yang hari ini terus dibahagikan kepada digital dan analog. Walaupun pemproses itu sendiri adalah peranti digital, dalam beberapa kes penggunaan aliran analog membenarkan dirinya dari segi harga dan kebolehpercayaan. Untuk penukaran, walau bagaimanapun, penukar khas mesti digunakan, yang menyumbang kepada beban tenaga dan kepenuhan struktur platform kerja. Ahli Parlimen Analog (biasanya cip tunggal) melaksanakan tugas sistem analog standard - contohnya, mereka menghasilkan modulasi, menjana ayunan, mengekod dan menyahkod isyarat.
Mengikut prinsip organisasi sementara fungsi MP, mereka dibahagikan kepada segerak dan tak segerak. Perbezaannya terletak pada sifat isyarat untuk memulakan operasi baharu. Sebagai contoh, dalam kes peranti segerak, arahan sedemikian diberikan oleh modul kawalan, tanpa mengira pelaksanaan operasi semasa. Dalam kes Ahli Parlimen tak segerak, isyarat serupa boleh diberikan secara automatik setelah selesai operasi sebelumnya. Untuk melakukan ini, litar elektronik disediakan dalam struktur logik mikropemproses jenis tak segerak, yang memastikan operasi komponen individu dalam mod luar talian, jika perlu. Kerumitan pelaksanaan kaedah penyusunan kerja MP ini adalah disebabkan oleh fakta bahawasentiasa pada masa selesai satu operasi terdapat sumber tertentu yang mencukupi untuk memulakan operasi seterusnya. Memori pemproses biasanya digunakan sebagai pautan keutamaan dalam pilihan operasi seterusnya.
Pemproses mikro untuk tujuan umum dan khas
Skop utama MP tujuan umum ialah stesen kerja, komputer peribadi, pelayan dan peranti elektronik yang bertujuan untuk kegunaan besar-besaran. Infrastruktur berfungsi mereka tertumpu pada melaksanakan pelbagai tugas yang berkaitan dengan pemprosesan maklumat. Peranti sedemikian sedang dibangunkan oleh SPARC, Intel, Motorola, IBM dan lain-lain.
Mikropemproses khusus, ciri dan strukturnya berdasarkan pengawal berkuasa, melaksanakan prosedur kompleks untuk memproses dan menukar isyarat digital dan analog. Ini adalah segmen yang sangat pelbagai dengan beribu-ribu jenis konfigurasi. Keistimewaan struktur MP jenis ini termasuk penggunaan satu kristal sebagai asas untuk pemproses pusat, yang seterusnya, boleh disambungkan dengan sejumlah besar peranti persisian. Antaranya adalah cara input / output, blok dengan pemasa, antara muka, penukar analog-ke-digital. Ia juga diamalkan untuk menyambungkan peranti khusus seperti blok untuk menjana isyarat lebar nadi. Disebabkan oleh penggunaan memori dalaman, sistem sedemikian mempunyai sebilangan kecil komponen tambahan yang menyokong operasimikropengawal.
Spesifikasi mikropemproses
Parameter operasi mentakrifkan julat tugas peranti dan set komponen yang, pada dasarnya, boleh digunakan dalam struktur mikropemproses tertentu. Ciri utama MP boleh diwakili seperti berikut:
- Kekerapan jam. Menunjukkan bilangan operasi asas yang sistem boleh lakukan dalam 1 saat. dan dinyatakan dalam MHz. Walaupun terdapat perbezaan dalam struktur, Ahli Parlimen yang berbeza kebanyakannya melaksanakan tugas yang sama, tetapi dalam setiap kes ia memerlukan masa individu, yang ditunjukkan dalam bilangan kitaran. Lebih berkuasa MP, lebih banyak prosedur yang boleh dilakukan dalam satu unit masa.
- Lebar. Bilangan bit yang peranti boleh laksanakan pada masa yang sama. Peruntukkan lebar bas, kadar pemindahan data, daftar dalaman, dsb.
- Jumlah memori cache. Ini adalah memori yang termasuk dalam struktur dalaman mikropemproses dan sentiasa beroperasi pada frekuensi yang mengehadkan. Dalam perwakilan fizikal, ini ialah kristal yang diletakkan pada cip MP utama dan digandingkan dengan teras bas mikropemproses.
- Konfigurasi. Dalam kes ini, kita bercakap tentang organisasi arahan dan kaedah menangani. Dalam amalan, jenis konfigurasi boleh bermakna kemungkinan menggabungkan proses melaksanakan beberapa arahan pada masa yang sama, mod dan prinsip operasi MP, dan kehadiran peranti persisian dalam sistem mikropemproses asas.
Seni bina mikropemproses
Secara keseluruhannya, MP adalah universalpemproses maklumat, tetapi dalam beberapa kawasan operasinya, konfigurasi khas untuk pelaksanaan strukturnya sering diperlukan. Seni bina mikropemproses mencerminkan spesifik aplikasi model tertentu, menyebabkan ciri perkakasan dan perisian disepadukan ke dalam sistem. Secara khusus, kita boleh bercakap tentang penggerak yang disediakan, daftar program, kaedah pengalamatan dan set arahan.
Dalam perwakilan seni bina dan ciri fungsi MP, mereka sering menggunakan gambar rajah peranti dan interaksi daftar perisian tersedia yang mengandungi maklumat kawalan dan operan (data diproses). Oleh itu, dalam model daftar terdapat sekumpulan daftar perkhidmatan, serta segmen untuk menyimpan operan tujuan umum. Atas dasar ini, kaedah melaksanakan program, skema organisasi memori, mod operasi dan ciri-ciri mikropemproses ditentukan. Struktur MP tujuan umum, sebagai contoh, mungkin termasuk pembilang program, serta daftar untuk status dan kawalan mod operasi sistem. Aliran kerja peranti dalam konteks konfigurasi seni bina boleh diwakili sebagai model pemindahan daftar, menyediakan pengalamatan, memilih operan dan arahan, memindahkan hasil, dll. Pelaksanaan arahan yang berbeza, tanpa mengira tugasan, akan menjejaskan status daftar, kandungannya mencerminkan keadaan semasa pemproses.
Maklumat am tentang struktur mikropemproses
Dalam kes ini, struktur harus difahami bukan sahaja sebagai satu set komponen sistem kerja, tetapi jugacara perhubungan antara mereka, serta peranti yang memastikan interaksi mereka. Seperti dalam klasifikasi fungsian, kandungan struktur boleh dinyatakan melalui tiga komponen - kandungan operasi, cara komunikasi dengan bas dan infrastruktur kawalan.
Peranti bahagian pengendalian menentukan sifat penyahkodan perintah dan pemprosesan data. Kompleks ini mungkin termasuk blok berfungsi aritmetik-logik, serta perintang untuk penyimpanan sementara maklumat, termasuk maklumat tentang keadaan mikropemproses. Struktur logik menyediakan penggunaan perintang 16-bit yang melakukan bukan sahaja prosedur logik dan aritmetik, tetapi juga operasi anjakan. Kerja daftar boleh diatur mengikut skema yang berbeza, yang menentukan, antara lain, kebolehcapaian mereka kepada pengaturcara. Daftar berasingan dikhaskan untuk fungsi pek bateri.
Pengganding bas bertanggungjawab untuk sambungan ke peralatan persisian. Julat tugas mereka juga termasuk mengambil data daripada memori dan membentuk baris gilir arahan. Struktur mikropemproses biasa termasuk penunjuk arahan IP, penambah alamat, daftar segmen dan penimbal, yang melaluinya pautan dengan bas alamat diservis.
Peranti kawalan pula menjana isyarat kawalan, menyahsulit arahan dan juga memastikan operasi sistem pengkomputeran, mengeluarkan arahan mikro untuk operasi MP dalaman.
Struktur MP asas
Struktur ringkas mikropemproses ini menyediakan dua fungsibahagian:
- Bilik bedah. Unit ini termasuk kawalan dan kemudahan pemprosesan data, serta memori mikropemproses. Tidak seperti konfigurasi penuh, struktur mikropemproses asas tidak termasuk daftar segmen. Sesetengah peranti pelaksanaan digabungkan menjadi satu unit berfungsi, yang turut menekankan sifat pengoptimuman seni bina ini.
- Antaramuka. Pada dasarnya, satu cara menyediakan komunikasi dengan lebuh raya utama. Bahagian ini mengandungi daftar memori dalaman dan penambah alamat.
Prinsip pemultipleksan isyarat sering digunakan pada saluran keluaran luaran Ahli Parlimen asas. Ini bermakna isyarat berlaku melalui saluran perkongsian masa biasa. Selain itu, bergantung pada mod pengendalian semasa sistem, output yang sama boleh digunakan untuk menghantar isyarat untuk tujuan yang berbeza.
Struktur arahan mikropemproses
Struktur ini sebahagian besarnya bergantung pada konfigurasi umum dan sifat interaksi blok berfungsi MP. Walau bagaimanapun, walaupun pada peringkat reka bentuk sistem, pembangun meletakkan kemungkinan untuk menggunakan tatasusunan operasi tertentu berdasarkan satu set arahan yang kemudiannya dibentuk. Fungsi arahan yang paling biasa termasuk:
- Pemindahan data. Perintah melaksanakan operasi menetapkan nilai operan sumber dan destinasi. Daftar atau sel memori boleh digunakan sebagai yang terakhir.
- Input-output. MelaluiPeranti antara muka I/O memindahkan data ke port. Selaras dengan struktur mikropemproses dan interaksinya dengan perkakasan persisian dan unit dalaman, arahan menetapkan alamat port.
- Penukaran jenis. Format dan nilai saiz operan yang digunakan ditentukan.
- Gangguan. Arahan jenis ini direka bentuk untuk mengawal gangguan perisian - contohnya, ia boleh menjadi hentian fungsi pemproses semasa peranti I / O mula berfungsi.
- Organisasi kitaran. Arahan menukar nilai daftar ECX, yang boleh digunakan sebagai pembilang apabila melaksanakan kod program tertentu.
Sebagai peraturan, sekatan dikenakan ke atas perintah asas yang berkaitan dengan keupayaan untuk beroperasi dengan jumlah memori tertentu, mengurus daftar dan kandungannya secara serentak.
struktur pengurusan MP
Sistem kawalan MP adalah berdasarkan unit kawalan, yang dikaitkan dengan beberapa bahagian berfungsi:
- Penderia isyarat. Menentukan urutan dan parameter denyutan, mengagihkannya secara sama rata dalam masa merentas bas. Antara ciri pengendalian penderia ialah bilangan kitaran dan isyarat kawalan yang diperlukan untuk melaksanakan operasi.
- Sumber isyarat. Salah satu fungsi unit kawalan dalam struktur mikropemproses diperuntukkan kepada penjanaan atau pemprosesan isyarat - iaitu, penukarannya dalam kitaran tertentu pada bas tertentu.
- Penyahkod kod operasi. Melakukan penyahsulitan kod operasi yang terdapat dalam daftar arahan padamasa ini. Bersama-sama dengan menentukan bas aktif, prosedur ini juga membantu menjana urutan denyutan kawalan.
Yang tidak penting dalam infrastruktur kawalan ialah peranti storan kekal yang mengandungi dalam selnya isyarat yang diperlukan untuk melaksanakan operasi pemprosesan. Untuk mengira arahan semasa memproses data nadi, unit penjanaan alamat boleh digunakan - ini adalah komponen yang diperlukan dalam struktur dalaman mikropemproses, yang disertakan dalam unit antara muka sistem dan membolehkan anda membaca butiran daftar memori dengan isyarat sepenuhnya.
Komponen mikropemproses
Kebanyakan blok berfungsi, serta peranti luaran, disusun antara mereka sendiri dan MP litar mikro pusat melalui bas dalaman. Ia boleh dikatakan bahawa ini adalah rangkaian tulang belakang peranti, menyediakan pautan komunikasi yang komprehensif. Perkara lain ialah bas juga boleh mengandungi unsur-unsur tujuan fungsi yang berbeza - contohnya, litar untuk pemindahan data, talian untuk memindahkan sel memori, serta infrastruktur untuk menulis dan membaca maklumat. Sifat interaksi antara blok bas itu sendiri ditentukan oleh struktur mikropemproses. Peranti yang disertakan dalam MP, sebagai tambahan kepada bas, termasuk yang berikut:
- Unit logik aritmetik. Seperti yang telah disebutkan, komponen ini direka untuk melaksanakan operasi logik dan aritmetik. Ia berfungsi dengan kedua-dua data angka dan aksara.
- Kawalan peranti. Bertanggungjawab untukpenyelarasan dalam interaksi bahagian berlainan MT. Khususnya, blok ini menjana isyarat kawalan, mengarahkannya ke modul peranti mesin yang berbeza pada masa tertentu.
- Memori pemproses mikro. Digunakan untuk merekod, menyimpan dan mengeluarkan maklumat. Data boleh dikaitkan dengan kedua-dua operasi pengiraan yang berfungsi dan proses yang menyediakan mesin.
- Pemproses Matematik. Ia digunakan sebagai modul tambahan untuk meningkatkan kelajuan apabila melakukan operasi pengiraan yang kompleks.
Ciri-ciri struktur coprocessor
Walaupun dalam rangka melaksanakan operasi aritmetik dan logik biasa, tiada kapasiti MP konvensional yang mencukupi. Sebagai contoh, mikropemproses tidak mempunyai keupayaan untuk melaksanakan arahan aritmetik titik terapung. Untuk tugas sedemikian, coprocessor digunakan, strukturnya menyediakan gabungan pemproses pusat dengan beberapa Ahli Parlimen. Pada masa yang sama, logik pengendalian peranti itu sendiri tidak mempunyai perbezaan asas daripada peraturan asas untuk membina litar mikro aritmetik.
Coprocessors melaksanakan perintah biasa, tetapi dalam interaksi rapat dengan modul pusat. Konfigurasi ini menganggap pemantauan berterusan baris gilir perintah merentas berbilang baris. Dalam struktur fizikal mikropemproses jenis ini, ia dibenarkan menggunakan modul bebas untuk menyediakan input-output, cirinya ialah keupayaan untuk memilih arahannya. Walau bagaimanapun, untuk skim sedemikian berfungsi dengan betul, koprosesor mesti mentakrifkan dengan jelas sumber pemilihan arahan,menyelaraskan interaksi antara modul.
Prinsip membina struktur umum mikropemproses dengan konfigurasi gandingan kuat juga disambungkan dengan konsep peranti kopemproses. Jika dalam kes sebelumnya kita boleh bercakap tentang blok I / O bebas dengan kemungkinan pemilihan arahannya sendiri, maka konfigurasi yang digabungkan dengan kuat melibatkan kemasukan dalam struktur pemproses bebas yang mengawal aliran arahan.
Kesimpulan
Prinsip penciptaan mikropemproses telah mengalami sedikit perubahan sejak kemunculan peranti pengkomputeran pertama. Ciri, reka bentuk dan keperluan untuk sokongan sumber telah berubah, yang telah mengubah komputer secara radikal, tetapi konsep umum dengan peraturan asas untuk mengatur blok berfungsi untuk sebahagian besar tetap sama. Walau bagaimanapun, masa depan pembangunan struktur mikropemproses mungkin dipengaruhi oleh nanoteknologi dan kemunculan sistem pengkomputeran kuantum. Hari ini, bidang tersebut dipertimbangkan pada peringkat teori, tetapi syarikat besar sedang giat mengusahakan prospek penggunaan praktikal litar logik baharu berdasarkan teknologi inovatif. Sebagai contoh, sebagai pilihan yang mungkin untuk pembangunan selanjutnya MT, penggunaan zarah molekul dan subatom tidak diketepikan, dan litar elektrik tradisional boleh memberi laluan kepada sistem putaran elektron terarah. Ini akan memungkinkan untuk mencipta pemproses mikroskopik dengan seni bina asasnya yang baru, yang prestasinya akan berkali-kali melebihi hari ini. MP.
